潮流発電機

これらは従来の風力発電機と概念的には似ていますが、海底で稼働します。現在、ほとんどの試作機は設計、開発、試験、または運用段階にあります。

スコットランドのOrbital Marine Power社が開発した試作型2MW浮体式タービンSR2000は、 2016年からオークニー諸島の欧州海洋エネルギーセンターで稼働していた。12ヶ月間の連続試験で3,200MWhの電力を発電した。2018年9月に撤去され、2021年に完成した量産型Orbital O2に場所を譲った。^{[ 5 ] [ 6 ]}

オランダに拠点を置くTocardo ^{[ 7 ]は、2008 年以来、デン・オーフェル近郊のアフスライトダイクで潮力タービンを稼働させています。 [ 8 ]} デン・オーフェルで使用されている T100 モデルで示されている潮力発電機の典型的な生産データ。 ^{[ 8 ]}現在、1 つの河川モデル (R1) と 2 つの潮力モデル (T) が生産されており、3 つ目の T3 が間もなく登場します。T1 の発電量は約 100  kW、T2 の発電量は約 200 kW です。これらは、0.4 m/s という低い潮流にも適しています。 ^{[ 9 ]} Tocardo は 2019 年に破産宣告を受けました。^{[ 10 ]} QED Naval と HydroWing は 2020 年に潮力タービン事業の Tocardo を買収するために協力しました。^{[ 11 ]} 

アトランティス・リソーシズ社が開発した1MWタービンAR-1000は、2011年夏にEMEC施設で正常に設置されました。ARシリーズは、外洋での設置用に設計された商用規模の水平軸タービンです。ARタービンは、固定ピッチブレードを備えた単一のローターセットを特徴としています。ARタービンは、潮汐の交換ごとに必要に応じて回転します。これは、潮汐間の緩やかな期間に行われ、次の潮汐に最適な方向になるようにその位置に保持されます。ARタービンは、 水流速度2.65m/sで1MWの定格出力です。^{[ 12 ]}

クヴァルスンド発電所はノルウェーのハンメルフェストの南、水深50メートルの海域に位置しています。まだ試作段階ではありますが、出力300kWとされるHS300タービンは2003年11月13日に送電網に接続されました。これにより、送電網に電力を供給する世界初の潮力タービンとなりました。水中構造物の重量は120トン、重力式基礎の重量は200トンでした。3枚のブレードはガラス繊維強化プラスチック製で、ハブから先端まで10メートルでした。この装置は毎分7回転で回転し、設置容量は0.3MWでした。^{[ 13 ]} 

Seaflowは、300kW の周期流海洋潮流プロペラ型タービンで、2003年にMarine Current Turbines社によってイングランド、デボン州リンマス沖に設置されました。 ^{[ 14 ]}直径11メートルのタービン発電機は、海底に打ち込まれた鋼鉄製の杭に取り付けられました。試作機として、電力網ではなくダンプロードに接続されました。

2007 年 4 月、Verdant Power ^{[ 15 ]}はニューヨーク市のクイーンズとルーズベルト島の間のイースト川で試作プロジェクトを開始しました。これは米国で最初の主要な潮力発電プロジェクトでした。^{[ 16 ]}強い潮流は設計上の課題をもたらし、2006 年と 2007 年の試作機のブレードが破損し、2008 年 9 月に新しい強化タービンが設置されました。^{[ 17 ] [ 18 ]}

Seaflow の試験に続いて、 SeaGenと呼ばれる実物大のプロトタイプが、 Marine Current Turbines によって 2008 年 4 月に北アイルランドのストラングフォード湾に設置されました。このタービンは 2008 年 12 月に 1.2 MW強のフルパワーで発電を開始し^{[ 19 ]}  、 2008 年 7 月 17 日には初めて150 kW を電力網に供給したと報告されており、現在では北アイルランドの消費者に 1 ギガワット時以上を供給しています。 ^{[ 20 ]}これは現在、世界中で設置されている唯一の商用規模の装置です。^{[ 21 ]} SeaGen は、それぞれが発電機を駆動する 2 つの軸流ローターで構成されています。ローターブレードが 180 ° までピッチングできるため、このタービンは干潮と満潮の両方で発電することができます。^{[ 22 ]}

Evopodと呼ばれる半潜水式浮体係留潮力タービンのプロトタイプは、 2008年6月から北アイルランドのストラングフォード湾で1/10スケールで試験されている^{[ 23 ]}。これを開発している英国企業はOcean Flow Energy Ltd.である^{[ 24 ]。}先進的な船体形状は潮流に対して最適な向きを維持し、水柱のピーク流量で動作するように設計されている。

2010年、オーストラリアのテナックス・エナジー社は、オーストラリアのダーウィン沖のクラレンス海峡に450基の風力タービンを設置することを提案した。これらのタービンは、直径約15メートルのローター部 と、それよりやや大きい重力ベースを備えている。タービンは航路よりはるかに深い深海で稼働する。各タービンは300～400世帯分の電力を発電すると予測されている。^{[ 25 ]}

英国に拠点を置くTidalstream社は、2003年にテムズ川に縮小版のTriton 3タービンを設置した。^{[ 26 ]}このタービンは、クレーン、ジャッキアップ装置、ダイバーを使わずに設置場所まで浮上させ、その後、運転位置までバラストを注入することができる。実物大の場合、水深30～50mのTriton 3は3MWの発電能力を持ち、水深60～80mのTriton 6は流量に応じて最大10MWの発電能力を持つ。両プラットフォームとも、運転位置と浮上メンテナンス位置の両方で人がアクセスできるようになっている。

欧州海洋エネルギー技術革新プラットフォーム（ETIP OCEAN）の2019年レポート「今日の家庭への電力供給、明日の国家への電力供給」では、潮流技術によって供給されている記録的な量について言及している。^{[ 27 ]}

1923年にジョルジュ・ダレイウスによって発明され、1929年に特許を取得したこれらのタービンは、垂直方向にも水平方向にも設置することができる。

ゴルロフタービン^{[ 28 ]}は、ダリウス設計の派生型で、らせん状の設計が特徴であり、韓国で大規模な商業パイロットプロジェクト^{[ 29 ]}が行われています。このプロジェクトは、2009年5月に開設された1MWの発電所^{[ 30 ]}から始まり、2013年までに90MWに拡張されました。ネプチューン・リニューアブル・エナジーのプロテウスプロジェクト^{[ 31 ]}は、主に河口域の条件下でアレイを形成するために使用できる、覆い付きの垂直軸タービンを採用しています。

2008 年 4 月、オーシャン・リニューアブル・パワー・カンパニー (ORPC) は、メイン州イーストポート近郊のORPC のコブスクック湾とウェスタン・パッセージ潮汐サイトで、独自のタービン発電機ユニット (TGU) プロトタイプの試験を成功裏に完了しました。^{[ 32 ]} TGU は OCGen 技術の中核であり、先進設計クロスフロー (ADCF) タービンを使用して、タービンの間に配置され同じシャフトに取り付けられた永久磁石発電機を駆動します。ORPC は、河川、潮汐、深海海流から発電するために使用できる TGU 設計を開発しました。

イタリアのメッシーナ海峡で、コボルトタービンコンセプトの試験が2001年に開始された。^{[ 33 ]}

ダクトやシュラウドなどの流量増加手段を用いることで、タービンに供給される入射動力を増加させることができる。最も一般的な例は、シュラウドを用いてタービンを通過する流量を増加させる方法であり、これは軸流式タービンでも横流式タービンでも同様である。

オーストラリアの企業Tidal Energy Pty Ltdは、 2002年にクイーンズランド州ゴールドコーストで効率的なシュラウド付き潮力タービンの商業試験に成功した。Tidal Energyは、記録上最も速い潮流（11 m/s、21ノット）が見られるオーストラリア北部にシュラウド付きタービンを納入した。2基の小型タービンで3.5 MWを発電する。もう1基の直径5メートルの大型タービンは、 4 m/sの潮流で800 kWを発電でき、オーストラリアのブリスベン近郊で潮力発電による海水淡水化のデモンストレーションとして計画されていた。 ^{[ 34 ]}      

振動装置には回転部品がなく、代わりに流れによって横方向に押される翼形部を利用します。振動流による発電は、全方向または双方向のウィングドポンプ風車で実証されています。 ^{[ 35 ]} 2003年には 、150kWの振動式水上飛行機装置であるスティングレイ潮流発電機がスコットランド沖で試験されました。^{[ 36 ] [ 37 ]}スティングレイは水中翼を使用して振動を起こし、それによって水力発電を行います。この水力発電は、油圧モーターを駆動し、発電機を回転させます。^{[ 1 ]}

Pulse Tidal は、ハンバー河口でパルスジェネレーターと呼ばれる振動式水中翼装置を運用しています。^{[ 38 ] [ 39 ]} EU から資金提供を受け、2012 年に稼働開始予定の商用規模の装置を開発中です。^{[ 40 ]}

bioSTREAM潮力発電システムは、サメ、マグロ、サバなどの遊泳生物の生物模倣を利用し、それらの生物の非常に効率的なマグロ型推進モードを利用しています。これはオーストラリアの企業BioPower Systemsによって製造されています。^{[ 41 ]}

ラバル大学では、振動翼式潮力タービン と呼ばれる、2つの振動水中翼をタンデム構成で使用する2kWのプロトタイプが開発され、2009年にカナダのケベックシティ近郊で試験に成功した。現場試験では、40%の流体力学的効率が達成された。^{[ 42 ] [ 43 ]}

ベンチュリ効果装置は、圧力差を発生させるためにシュラウドまたはダクトを使用し、その圧力差を利用して二次油圧回路を作動させ、発電を行います。ハイドロベンチュリと呼ばれる装置がサンフランシスコ湾で試験される予定です。^{[ 44 ] [ 45 ]}

潮力カイトタービンは、潮の流れの中を移動することで潮力エネルギーを電気に変換する水中カイトシステム、またはパラベーンです。2011年の世界のエネルギー需要の約1%は、このような装置を大規模に利用することで供給できると推定されています。^{[ 46 ]}

歴史

オーストリアのウィーン出身のエルンスト・ソウチェクは、1947年8月6日に米国特許US2501696を出願した。特許の半分は同じくウィーン出身のヴォルフガング・クメントに譲渡された。彼らの水凧タービンの開示は、水凧タービンの豊かな技術を示した。同様の技術で、2006年以前には、他の多くの人々が水凧とパラベーン発電システムを進歩させていた。2006年には、スウェーデンのミネスト社がディープグリーンカイトと呼ばれる潮力凧タービンを開発した。 ^{[ 47 ]}同社は2011年の夏に北アイルランドのストラングフォード湾で最初の海上試験を実施した。試験では翼幅1.4mの凧を使用した。^{[ 46 ]} 2013年には、ディープグリーンのパイロットプラントが北アイルランド沖で稼働を開始した。このプラントでは、翼幅8m（または12m ^{[ 48 ]} ）のカーボンファイバー凧を使用している。各凧は、潮の流れが毎秒 1.3 メートルの場合、定格出力 120 キロワットです。^{[ 49 ]}

デザイン

ミネスト社の凧は翼幅が8～14メートル（26～46フィート）です。凧は中性浮力なので、潮の満ち引き​​で沈むことはありません。各凧にはギアレスタービンが装備されており、発電した電力は接続ケーブルを介して変圧器に送られ、その後電力網に送られます。タービンの開口部は海洋生物を保護するために保護されています。^{[ 46 ]} 14メートルバージョンの定格出力は、毎秒1.7メートルで850キロワットです。^{[ 49 ]} 

手術

カイトはケーブルで固定点に繋がれています。タービンを運ぶ流れの中を「飛行」します。8の字ループを描いて移動することで、タービンを通過する水の速度を10倍に増加させます。力は速度の3乗に比例して増加するため、定置型発電機よりも1,000倍のエネルギーを生成できる可能性があります。^{[ 46 ]}この操作により、カイトは、 SeaGenタービン などの従来の潮力発電装置を駆動するには流れが遅すぎる潮流でも動作できます。 ^{[ 46 ]}カイトは、1秒あたり1～2.5メートル（3フィート3インチ～8フィート2インチ） の低速の流れでも動作すると予想されていましたが、第一世代の装置では2.5秒以上必要でした。各カイトは150～800kWの発電能力を持ちます。水深50～ 300メートル（160～980フィート）の海域に展開できます。^{[ 46 ]}       

これまでに多くの潮流発電プロジェクトが中止または延期されており、その一部を以下に概説する。

2007年11月、英国企業のLunar Energyは、 E.ONと共同で、ウェールズのペンブルックシャー沖に世界初の深海潮力発電所を建設すると発表した。この発電所は5,000世帯に電力を供給する予定だった。 長さ25メートル、高さ15 メートルの水中タービン8基が、セント・デイビッド半島沖の海底に設置される予定だった。建設は2008年夏に開始され、2010年までに稼働する予定だった。^{[ 62 ]} Lunar Energyは2019年に解散した。^{[ 63 ]}

オルダニー再生可能エネルギー社は2008年にライセンスを取得し、チャンネル諸島のオルダニー島周辺の非常に強い潮流から潮力タービンを使って発電する計画を立てています。最大3GWの発電が可能と推定されています。これにより、島の需要を満たすだけでなく、かなりの余剰電力を輸出できる見込みです。^{[ 64 ]}フランス・オルダニー・英国を結ぶ海底ケーブル（FABリンク）を使用し、2020年までに稼働開始予定でした。この協定は2017年に終了しました。^{[ 65 ]} 

2010年、RWEのnpowerは、ウェールズのアングルシー島沖合、スケリーズ諸島近くに、SeaGen S潮力タービンによる10MWの潮力発電所を建設するため、Marine Current Turbinesと提携していると発表した^{[ 66 ]。}計画許可は2013年に下りた^{[ 67 ]。}この発電所は2015年までに完全に稼働する予定だったが、Marine Current TurbinesがSIMEC Atlantis Energyに買収された後、2016年にプロジェクトは棚上げされた^{[ 68 ] 。} 

2015年、ウェールズの企業Tidal Energy Ltd（TEL）とEco2は、セント・デイビッズ・ヘッドに9基のタービンを設置し、商業規模の実証プロジェクトを展開することを目指した。^{[ 69 ]} しかし、TELは2015年に400kWのDeltaStreamタービンを開発・試験してから1年も経たないうちに経営破綻した。^{[ 70 ]}

2014 年 3 月、連邦エネルギー規制委員会(FERC) は、スノホミッシュ郡 PUD がワシントン州アドミラルティ湾にOpenHydro の潮力タービン 2 基を設置するためのパイロット ライセンスを承認しました。このプロジェクトは、米国で初めてグリッド接続された 2 基のタービン プロジェクトであり、設置は 2015 年夏に予定されています。使用される潮力タービンは、商業航行への影響がないように、水深約 200 フィートの海底に直接設置されるように設計されています。FERC が付与したライセンスには、航行に加えて、魚類、野生生物、文化遺産、景観資源を保護する計画も含まれています。各タービンの直径は 6 メートルで、最大 300 kW の電力を発電します。^{[ 71 ]} 2014 年 9 月、コストの懸念からプロジェクトは中止されました。^{[ 72 ]} 

ノバスコシア・パワーは、カナダのノバスコシア州ファンディ湾での潮力発電実証プロジェクトにOpenHydroのタービンを選定し、チャンネル諸島での潮力タービンの供給にはAlderney Renewable Energy Ltdを選定した。^{[ 73 ]} OpenHydroは2018年に清算された。 ^{[ 74 ]}

スコティッシュパワー・リニューアブルズは、 2013年にハンマーフェスト・ストロムが設計した1MWのHS1000装置10基をアイラ海峡に導入する計画を立てた。^{[ 75 ] [ 66 ]}

潮力発電装置は、さまざまな動作モードを持つことができ、したがって出力も変化する。装置の電力係数が「${\displaystyle C_{P}}$が既知であれば、以下の式を使用して、機械の流体力学的サブシステムの出力を決定できます。この利用可能な出力は、出力係数に対するベッツの制限によって課される値を超えることはできませんが、タービンをシュラウドまたはダクト内に配置することで、ある程度これを回避できます。これは基本的に、タービンを通過しないはずの水をローターディスクに通すことによって機能します。このような状況では、出力係数の計算に使用されるのはタービンではなくダクトの前面面積であるため、ベッツの制限は依然として装置全体に適用されます。

これらの運動系から得られるエネルギーは、次のように表すことができます。

${\displaystyle P={\frac {\rho AV^{3}}{2}}C_{P}}$

どこ：

${\displaystyle C_{P}}$＝タービン出力係数

P = 発電電力（ワット）

${\displaystyle \rho }$＝水の密度（海水は1027 kg/ ^m³）

A = タービンの掃引面積（^m²）

V = 流れの速度

自由流中の開放型タービンと比較して、ダクト付きタービンは開放流中の同じタービンローターの3～4倍の出力を出すことができる。^{[ 76 ]}

水路で利用可能なエネルギーの初期評価は運動エネルギー流束モデルを使用した計算に焦点を当てていますが、潮力発電の制限ははるかに複雑です。たとえば、2 つの大きな海盆を結ぶ海峡から物理的に可能な最大エネルギー抽出は、10% 以内で次のように与えられます。^{[ 77 ] [ 78 ]}

${\displaystyle P=0.22\,\rho \,g\,\Delta H_{\text{max}}\,Q_{\text{max}}}$

どこ

${\displaystyle \rho }$＝水の密度（海水は1027 kg/ ^m³）

g = 重力加速度 (9.80665 m/ ^s² )

$\displaystyle \Delta H_{\text{max}}}$= 水路全体の最大水面高差

${\displaystyle Q_{\text{max}}}$= チャネルを通過する最大体積流量。